專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更具體說，是在固體高分子型燃料電池中，排除電池本體內(nèi)產(chǎn)生的凝結(jié)水，防止電極過度加濕導(dǎo)致的注水。
背景技術(shù)：
固體高分子型燃料電池如圖7模式地表示那樣，通過層疊多個基本單元I構(gòu)成，該基本單元通過在燃料極側(cè)上形成燃料氣體流過的流路D的同時，用在空氣極側(cè)上形成氧化劑氣體流過的流路F的隔離板J夾持在膜狀電解質(zhì)A(固體高分子電解質(zhì)膜)的一面上設(shè)置的燃料極B(陽極)而在另一面上設(shè)置空氣極C(陰極)的電池H構(gòu)成(圖7中層疊3個電池)。在該燃料電池的層疊體的兩側(cè)上，分別設(shè)置例如僅形成燃料氣體流路D的板E，和僅形成氧化劑氣體流路F的板G。
上述固體高分子型燃料電池中，燃料極側(cè)的流路D上供給燃料氣體(通常是通過改性裝置，將原燃料改性為富氫氣體的改性氣體)時，向空氣極側(cè)的流路F提供氧化劑氣體(通常是空氣)，經(jīng)膜狀電解質(zhì)A，通過產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，同時生成水?？傊?，燃料電池可通過改性氣體中的氫氣和空氣中的氧氣的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。燃料極B中，進行將氫分子電離為氫離子(質(zhì)子)和電子的反應(yīng)，在空氣極C中，進行由氧、氫離子和電子生成水的反應(yīng)，通過從燃料極B向空氣極C移動過外部電路的電子向負荷供電的同時，在空氣極C側(cè)生成水。
燃料極空氣極
整體上述已有固體高分子型燃料電池在膜狀電解質(zhì)A不是濕潤狀態(tài)的情況下，由于不能充分發(fā)揮作為質(zhì)子導(dǎo)電體的功能，加濕燃料氣體乃至氧化劑氣體，作為加濕燃料氣體乃至加濕氧化劑氣體供給燃料電池本體，由這些氣體中包含的水分將膜狀電解質(zhì)A保持在適當(dāng)濕潤狀態(tài)。但是，加濕氧化劑氣體流過流路F的過程中，空氣極C產(chǎn)生的生成水變?yōu)樗羝⒓尤脒M來，因此隨著進入流路F水分變得過剩，尤其從中間開始到下游側(cè)為過飽和，水分凝結(jié)。該凝結(jié)水附著在流路F的表面上時，發(fā)生使流路F的一部分閉塞的情況，因此，流路F內(nèi)的氧化劑氣體的流動分布偏斜，局布產(chǎn)生氧化劑氣體的供給障礙，導(dǎo)致發(fā)電性能降低的問題。通過生成水的逆擴散在上述燃料極B側(cè)的流路D中，也會引起由于這種凝結(jié)水而使流路閉塞的問題。
作為解決該問題的方案，例如特開平6-89730號公報中公開一種在氧化劑氣體流路中途設(shè)置未加濕氧化劑供給部和吸水材料構(gòu)成的凝結(jié)水去除裝置的技術(shù)。此時，由于從凝結(jié)水去除裝置供給的干燥的氧化劑氣體添加到來自上游側(cè)的濕潤的氧化劑氣體中，從而使下游氧化劑氣體中的水蒸汽分壓降低，因此，消除了氧化劑氣體的過飽和狀態(tài)，促進凝結(jié)水蒸發(fā)，同時由吸水材料吸收與未加濕氧化劑供給部的上游側(cè)鄰接的流路的內(nèi)壁面上凝結(jié)的凝結(jié)水，防止流路閉塞。但是，上述例子中，由于隔離板的氧化劑氣體流路中途必須設(shè)置未加濕氧化劑供給部和吸水材料，必須形成加濕或未加濕的2個氧化劑氣體供給路徑，因此，有結(jié)構(gòu)變復(fù)雜、加工變難的問題。而且，沒有壓力差時，不能供給未加濕氣體，流量和壓力依賴于發(fā)電條件，或者流路中的氣體分配可能會混亂，因此出現(xiàn)難以控制的問題。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種固體高分子型燃料電池，通過結(jié)構(gòu)簡單容易加工的結(jié)構(gòu)，去除凝結(jié)水，防止因電極過度加濕導(dǎo)致的注水。
發(fā)明的公開為達到上述目的，本發(fā)明為(1)一種燃料電池，在燃料極乃至空氣極上分別對峙在表面上形成燃料氣體乃至氧化劑氣體的流路的隔離板(seperator)，層疊多個在燃料極和空氣極之間配置膜狀電解質(zhì)的電池而構(gòu)成，其特征在于從上述氧化劑氣體的流路或燃料氣體的流路的中間向下游側(cè)設(shè)置排液裝置。
(2)特征在于結(jié)構(gòu)為上述排液裝置具有氣密的封水部。
(3)特征在于結(jié)構(gòu)為上述排液裝置連接燃料電池的冷卻水路徑。
(4)特征在于結(jié)構(gòu)為從上述氧化劑氣體的流路或燃料氣體的流路的中間向下游側(cè)設(shè)置連通多個流路的連結(jié)部，該連結(jié)部連接上述排液裝置。
(5)特征在于結(jié)構(gòu)為上述連結(jié)部設(shè)置在膜狀電解質(zhì)由燃料極和空氣極夾持的燃料電池反應(yīng)的區(qū)域外。
(6)特征在于結(jié)構(gòu)為上述連結(jié)部架伸設(shè)置在燃料氣體、氧化劑氣體、冷卻水之一的供給支管區(qū)域中。
(7)特征在于結(jié)構(gòu)為流通過上述連結(jié)部的氧化劑氣體或燃料氣體和供給燃料電池反應(yīng)之前的氧化劑氣體、燃料氣體、冷卻水之一之間進行熱交換。
(8)特征在于結(jié)構(gòu)為上述排液裝置是氧化劑氣體或燃料氣體的流路之外的連通這些氣體的排出支管和上述連結(jié)部的路徑。
(9)特征在于結(jié)構(gòu)為連通上述氣體的排出支管和上述連結(jié)部的路徑中鋪設(shè)纖維材料。
本發(fā)明中，通過從氧化劑氣體的流路或燃料氣體的流路的中間開始向下游側(cè)設(shè)置排液裝置的結(jié)構(gòu)(1)，能將流路上游側(cè)產(chǎn)生的凝結(jié)水的一部分排到外部。通過排液裝置具有氣密的封水部的結(jié)構(gòu)(2)，防止流過流路的氣體流出，通過使排液裝置連接到燃料電池的冷卻水路徑上的結(jié)構(gòu)(3)，有效將排出的凝結(jié)水用作燃料電池的冷卻水的一部分。
通過從氧化劑氣體的流路或燃料氣體的流路的中間開始向下游側(cè)設(shè)置連通多個流路的連結(jié)部，而該連結(jié)部連接排液裝置的結(jié)構(gòu)(4)，連結(jié)部可降低氣體的流速，容易生成凝結(jié)水，并且通過排液裝置快速將凝結(jié)水排到外部。
通過該連結(jié)部設(shè)置在膜狀電解質(zhì)由燃料極和空氣極所夾持的燃料電池反應(yīng)區(qū)域外的結(jié)構(gòu)(5)，容易冷卻連結(jié)部內(nèi)的水蒸汽，可提高排水(drain)效果。通過連結(jié)部架伸設(shè)置在燃料氣體、氧化劑氣體、冷卻水之一的供給支管區(qū)域中的結(jié)構(gòu)(6)，增大冷卻作用的同時，由于在供給支管上形成匯聚流路，電池層疊方向的流配(流量分布)可均勻化。而且通過結(jié)構(gòu)(7)，流過連結(jié)部的氣體和提供給燃料電池反應(yīng)之前的氧化劑氣體、燃料氣體、冷卻水之一之間進行熱交換。
由于排液裝置是除氧化劑氣體或燃料氣體的流路之外的、連通這些氣體的排出支管和上述連結(jié)部的路徑的結(jié)構(gòu)(8)，因此，可將排液裝置設(shè)置在隔離板內(nèi)，通過其路徑上鋪設(shè)纖維材料的結(jié)構(gòu)(9)，可通過吸收或毛細現(xiàn)象把凝結(jié)水導(dǎo)向排出支管，同時路徑內(nèi)不流出氣體。
而且，本發(fā)明是(10)一種燃料電池，提供燃料和氧化劑來發(fā)電，其特征在于燃料極側(cè)或空氣極側(cè)至少之一的流路的從供給口到排出口的路徑中，至少在一個場所設(shè)置用于調(diào)節(jié)燃料或氧化劑的溫度的溫度調(diào)節(jié)裝置。
(11)特征在于上述流路的路徑多次經(jīng)過1個溫度調(diào)節(jié)裝置。
(12)特征在于上述溫度調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在電極面的外部。
(13)特征在于上述溫度調(diào)節(jié)裝置是冷卻裝置。
(14)特征在于上述冷卻裝置設(shè)置在上述流路的后半部。
(15)特征在于經(jīng)由上述冷卻裝置的上述燃料或氧化劑為氣狀。
(16)特征在于上述冷卻裝置具有用于從流路中去除在冷卻氣體時產(chǎn)生的凝結(jié)水的排水部。
(17)特征在于上述冷卻裝置水冷或空冷上述流路。
(18)一種燃料電池，提供燃料和氧化劑來發(fā)電，其特征在于燃料極側(cè)或空氣極側(cè)至少之一的流路的、從供給口到排出口的路徑中，至少在一個場所設(shè)置用于調(diào)節(jié)燃料或氧化劑的濕度的濕度調(diào)節(jié)裝置。
(19)特征在于上述濕度調(diào)節(jié)裝置是除濕裝置。
(20)特征在于上述除濕裝置在流路的路徑外壁的至少一部分中包括保水部，從與該保水部相接、且與上述流路另外設(shè)置的除濕用流路供給除濕用氣體，以進行除濕。
(21)特征在于上述流路的路徑至少經(jīng)過除濕裝置一次。
(22)特征在于上述除濕裝置設(shè)置在流路的后半部。
(23)特征在于上述除濕用氣體是水蒸汽未飽和的燃料或氧化劑中的至少一種，在供給除濕后，其一部分或全部新添加燃料/氧化劑氣體，來提供給燃料電池。
(24)特征在于上述除濕用的氣體從燃料電池堆的多個場所提供。
本發(fā)明的上述溫度調(diào)節(jié)裝置(冷卻裝置)設(shè)置在反應(yīng)氣體(燃料或氧化劑)流路的一部分上，在燃料電池的電極面外，將流路內(nèi)部的反應(yīng)氣體冷卻到任意溫度。在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，由于不從流路途中新混合入氣體，因此不混亂流路中的氣體流動。
由于反應(yīng)氣體利用在陰極側(cè)的生成水，而使流路下游的溫度升高，因此，希望溫度調(diào)節(jié)裝置位于流路后半部。
而且，由于在反應(yīng)氣體為高濕度的情況下，冷卻時會產(chǎn)生凝結(jié)水，因此，為從流路中去除該凝結(jié)水，最好設(shè)置排水口部。
此時，由于在反應(yīng)氣體的濕度提高的部位中，可冷卻反應(yīng)氣體降低溫度，因此，電極面內(nèi)的溫度分布均勻化，可提高電池性能。
本發(fā)明的濕度調(diào)節(jié)裝置(除濕裝置)在氣體流路中途備有保水部，使其與干燥的氣體接觸。反應(yīng)氣體中的水分經(jīng)保水部而移動到干燥氣體側(cè)。濕度調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在燃料極側(cè)、空氣極側(cè)中的至少之一的氣體流路上。
由于注水容易在氣體流路的下游側(cè)引起，因此，希望濕度調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在后半部。
并且，作為除濕用的干燥氣體，使用未加濕的、提供給電池之前的反應(yīng)氣體(燃料氣體或氧化劑)，在除濕中使用過之后，其一部分或全部新添加反應(yīng)氣體，提供給燃料電池。
此時，在反應(yīng)氣體的濕度增高的部位中，可排出水分并降低濕度，因此防止了在氣體流路下游側(cè)容易產(chǎn)生的注水，提高電池性能。
附圖簡要說明

圖1是表示本發(fā)明的第一實施例的模式簡圖；圖2是表示本發(fā)明的第二實施例的模式簡圖；圖3是表示本發(fā)明的第三實施例的模式簡圖；圖4是表示本發(fā)明的第四實施例的模式簡圖；圖5是表示本發(fā)明的第五實施例的模式簡圖；圖6是表示本發(fā)明的第六實施例的模式簡圖；圖7是表示已有的一般固體高分子型燃料電池的電池結(jié)構(gòu)的一例的說明圖；圖8是表示本發(fā)明的第七實施例的燃料電池主要部件的模式簡圖；圖9是表示本發(fā)明的第八實施例的燃料電池主要部件的模式簡圖；圖10是表示本發(fā)明的第九實施例的燃料電池主要部件的模式簡圖；圖11是表示本發(fā)明的第十實施例的燃料電池主要部件的模式簡圖；圖12是表示本發(fā)明的第十一實施例的燃料電池主要部件的模式簡圖；圖13是表示本發(fā)明的燃料電池的除濕用氣體的供給路徑的說明圖；
圖14是表示本發(fā)明的第十二實施例的燃料電池主要部件的模式簡圖。
具體實施例方式
下面參考附圖更具體說明本發(fā)明的最佳實施例。
(實施例1)圖1表示本發(fā)明的第一實施例，圖中1是空氣極側(cè)的隔離板，其表面上通過來回折返多個凹槽狀流路2形成曲折形狀，開始部連接在氧化劑氣體的供給支管3上，終端部連接在排出支管4上。因此，氧化劑氣體從供給支管3流入流路2，通過該流路2后，從排出支管4排出。
上述隔離板1從流路2中間向下游側(cè)，例如是在最后的折返部上設(shè)置的相互連通多個流路2的連結(jié)部5，在該連結(jié)部5的下部設(shè)置排液裝置6。此時，排液裝置6由大致彎曲為S字狀的排水管6a構(gòu)成，該排水管6a的上端連通并連結(jié)連結(jié)部5的下部，下端向外部開口。
這樣構(gòu)成的隔離板1中，從上述供給支管3供給加濕的氧化劑氣體后，流過流路2，雖然圖中未示出，但與流過燃料電極側(cè)的隔離板的流路的燃料氣體一起，經(jīng)膜狀電解質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。將隔離板1的流路2設(shè)置為使氧化劑氣體在空氣極(圖中省略)密封的反應(yīng)區(qū)域7(虛線所示)內(nèi)平均地流動，而且，流域面積增大。
這樣，空氣極側(cè)生成的水混入流過隔離板1的流路2的氧化劑氣體中，流向下游的過程中，氧化劑氣體中的水蒸汽分壓增高，變?yōu)檫^飽和狀態(tài)。
該第一實施例中，如上所述，由于在隔離板1的流路2的下游側(cè)設(shè)置在連結(jié)部5，因此，氧化劑氣體到達該連結(jié)部5時流速減少，過飽和狀態(tài)的水蒸氣凝結(jié)而產(chǎn)生凝結(jié)水。該凝結(jié)水流下連結(jié)部5，并流入上述排液裝置6的排水管6a內(nèi)，從下端的開口部排出到外部。此時，排水管6a的U形彎曲部為封水部6b，起到密封作用，因此，氧化劑氣體不經(jīng)排水管6a流向外部，從連結(jié)部5再次通過下游側(cè)的流路2，從排出支管4排出。
這樣隔離板1上游側(cè)產(chǎn)生的凝結(jié)水，經(jīng)由排液裝置6排出到外部，因此，由于下游側(cè)凝結(jié)水附著在流路2的表面而發(fā)生閉塞的頻度降低。從而，由于適當(dāng)供給氧化劑氣體，可保持正常的電化學(xué)反應(yīng)，使得燃料電池的發(fā)電性能不會降低。
上述第一實施例中，連結(jié)部5下面設(shè)置排液裝置6，但也可不設(shè)置連結(jié)部5而僅用排液裝置6向外部排出凝結(jié)水。此時，例如可以是將排液裝置6的排水管6a的上端部分支，分別連接多個流路2的結(jié)構(gòu)。為穩(wěn)定安裝排水管6a，隔離板1上形成凹槽，并在該凹槽內(nèi)嵌入排水管。
(實施例2)圖2表示本發(fā)明的第二實施例，與第一實施例大致相同，但排液裝置6的結(jié)構(gòu)不同。即，此時，不使用S字形的排水管，而由直管6c和與該直管6c下端部連接的排水槽6d構(gòu)成排液裝置6。排水槽6d將排出管6e安裝在距離排水槽6d底壁有一個規(guī)定高度的位置上，在內(nèi)部保持一定量的排出液(凝結(jié)水)，該排出液位于直管6c下端部，從而，形成氣密的封水部6f。
(實施例3)圖3表示本發(fā)明的第三實施例，對上述第二實施例作進一步發(fā)展，打算將從排水槽6d向外排出的排出液(凝結(jié)水)有效用作燃料電池的冷卻水的一部分。固體高分子型燃料電池如上所述由于電化學(xué)反應(yīng)是發(fā)熱反應(yīng)而使溫度上升。因此通過供給冷卻水，可將燃料電池保持在適當(dāng)溫度，例如80℃。
根據(jù)上述目的，采用將上述排水槽6d連接在冷卻水路徑8上的結(jié)構(gòu)。將從排水槽6d的排出管6e排出的排出液(凝結(jié)水)作為冷卻水，利用泵8a送入燃料電池的冷卻部，從冷卻部排出的冷卻水返回排水槽6d。燃料電池的冷卻部通常由各電池的隔離板的背面?zhèn)壬显O(shè)置的冷卻水的流路(圖中省略)構(gòu)成。
這樣，不將凝結(jié)水從排水槽6d排出到外部廢棄，而是作為冷卻燃料電池的冷卻水，從而使其得到有效利用。排水槽6d兼用作已有的水箱。冷卻水的不足部分通過向排水槽6d供給外來水來補給。
(實施例4)圖4表示本發(fā)明的第四實施例，與上述第二實施例大致相同，但不同的是將連結(jié)部5放置在上述燃料電池的反應(yīng)區(qū)域7之外來設(shè)置的結(jié)構(gòu)。即，連結(jié)部5在膜狀電解質(zhì)由燃料極和空氣極夾持的反應(yīng)區(qū)域7的外側(cè)，具體說，設(shè)置在上述供給支管3的下方。
燃料電池的反應(yīng)區(qū)域7內(nèi)，引起發(fā)熱反應(yīng)而變?yōu)楦邷?，但反?yīng)區(qū)域7以外，由于是低溫度，連結(jié)部5內(nèi)的水蒸氣容易被冷卻凝結(jié)。因此，與在反應(yīng)區(qū)域7內(nèi)設(shè)置連結(jié)部5的情況相比，冷卻作用提高，從而產(chǎn)生大量凝結(jié)水，該凝結(jié)水由上述排液裝置6排出到排水槽6d內(nèi)。
(實施例5)圖5表示本發(fā)明的第五實施例，對上述第四實施例作進一步發(fā)展，特征是使連結(jié)部5與供給支管3關(guān)聯(lián)。即，連結(jié)部5架伸設(shè)置在供給支管3的區(qū)域中，在供給支管3中形成匯聚通路3a。供給支管3形成得比上述第一到第四實施例的尺寸長，在從下端部的導(dǎo)入口3b流入氧化劑氣體的同時，能通過匯聚通路3a到達上方部并供給到流路2內(nèi)。
此時，從供給支管3的導(dǎo)入口3b流入供給燃料電池反應(yīng)之前的氧化劑氣體，因此比通過上述連結(jié)部5的氧化劑氣體溫度低，由于供給支管3的匯聚通路3a和連結(jié)部5為相鄰狀態(tài)，因此通過連結(jié)部5的氧化劑氣體由通過匯聚通路3a的低溫氧化劑氣體冷卻。總之，流過連結(jié)部5的氧化劑氣體和提供給燃料電池反應(yīng)之前的氧化劑氣體之間進行熱交換。由此，與第四實施例相比，提高了連結(jié)部5的冷卻作用，更可提高排出效果。
上述供給支管3在燃料電池的電池層疊方向上連通，通常，氧化劑氣體從燃料電池的端部，即再外側(cè)的隔離板的導(dǎo)入口3b供給。導(dǎo)入的氧化劑氣體通過上述匯聚通路3a到達上方部，并供給各隔離板1的流路2，但通過匯聚通路3a，電池層疊方向的流配均勻化。因此，各隔離板1的流路2中大致均勻供給氧化劑氣體，其結(jié)果，是各電池中電池反應(yīng)沒有不同，從而進行高效的發(fā)電。各電池中，反應(yīng)區(qū)域7中未反應(yīng)就結(jié)束的氧化劑氣體排出到上述排出支管4，通過在電池層疊方向上連通的該排出支管4，排出到燃料電池外部。
(實施例6)圖6表示本發(fā)明的第六實施例，特征是將排液裝置6設(shè)置在隔離板1內(nèi)。即，將通過除氧化劑氣體的流路2之外的、作為該氣體的出口的排出支管4和連結(jié)部5的路徑6g作為排液裝置6。由于該路徑6g在隔離板1的表面下端部形成凹槽，因而容易構(gòu)成。該路徑6g上最好鋪設(shè)例如吸水性的無紡布和由于毛細現(xiàn)象使吸水功能優(yōu)越的紡布等纖維材料(圖中省略)。
此時，在連結(jié)部5生成的凝結(jié)水流入作為排液裝置6的路徑6g內(nèi)的同時，經(jīng)該路徑排出到排出支管4。排出到排出支管4的凝結(jié)水，經(jīng)在燃料電池的電池層疊方向上連通的該排出支管4，與氧化劑氣體一起排出到外部。路徑內(nèi)如上所述鋪設(shè)纖維材料而充滿凝結(jié)水，因此防止了氧化劑氣體流向路徑6g中。
上述實施例都表示出在空氣極側(cè)的隔離板1的流路2上供給加濕氧化劑氣體的例子，但燃料極側(cè)向隔離板的流路中供給加濕燃料氣體的例子也適用于上述實施例。
如上所述，將連結(jié)部5架伸設(shè)置在氧化劑氣體的排出支管4區(qū)域中，但可構(gòu)成為與燃料電池的冷卻部上設(shè)置的冷卻水的排出支管4(未圖示)相鄰設(shè)置，在通過連結(jié)部5的氧化劑氣體和冷卻水之間進行熱交換。而且，雖然圖中省略了，但在用于燃料極側(cè)的情況下，將連結(jié)部架伸設(shè)置在燃料氣體的排出支管4區(qū)域，此時，通過與燃料電池的冷卻部上設(shè)置的冷卻水的排出支管4(圖中省略)相鄰設(shè)置，可在通過連結(jié)部的燃料氣體與冷卻水之間進行熱交換。
上述實施例中，隔離板的流路按具有折返的彎曲形狀作了說明，但不限于此，也可充分應(yīng)用于直線等其他任意形狀的流路中。
如上說明那樣，本發(fā)明從燃料電池的氧化劑氣體或燃料氣體的流路的中間向下游側(cè)設(shè)置排液裝置，因此，由于排出電池上游側(cè)產(chǎn)生的凝結(jié)水的一部分，下游側(cè)的凝結(jié)水對流路的閉塞頻度降低。通過設(shè)置連結(jié)部降低氣體流速，由于容易生成凝結(jié)水，可將更多的凝結(jié)水導(dǎo)入排液裝置。而且，通過將連結(jié)部設(shè)置在電池反應(yīng)區(qū)域的外側(cè)，或通過架伸設(shè)置在氧化劑氣體或燃料氣體的排出支管4區(qū)域上來提高冷卻效率，同時可進行熱交換。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種固體高分子型燃料電池，可用簡單且容易加工結(jié)構(gòu)的構(gòu)成來去除凝結(jié)水，由此防止凝結(jié)水引起的發(fā)電性能的降低，實現(xiàn)更有效進行燃料電池的發(fā)電的效果。
而且說明本發(fā)明的其他實施例。
(實施例7)圖8表示本發(fā)明的第七實施例，是模式表示出固體高分子型燃料電池堆中的隔離板11的一部分的簡圖，其電極面上按蛇形形成彼此相鄰的多個流路12。
對該流路12，在一端形成供給反應(yīng)氣體(燃料或氧化劑)的供給口13的同時，在另一側(cè)形成用于排出反應(yīng)氣體的排出口14。從供給口13到排出口14的路徑中一部分經(jīng)由在隔離板11的側(cè)部上設(shè)置的溫度調(diào)節(jié)裝置15。
溫度調(diào)節(jié)裝置15為冷卻裝置，在靠近流路12的延長部12a處，形成多個(2個)冷卻水流路16，并且設(shè)置與延長部12a連通的去水通路17、與排水部18相接。排水部18用箱等形成，在底部上安裝排水管18a。該排水管18a上安裝開關(guān)閥18b。
溫度調(diào)節(jié)裝置15例如按板狀物形成，與隔離板11同樣，通過層疊多個來構(gòu)成。此時，冷卻水流路16同樣在層疊方向連通隔離板11的供給口13和排出口14。該溫度調(diào)節(jié)裝置15在圖1中設(shè)置在流路12的大致中央部，但最好設(shè)置在相對濕度急劇提高的后半部上。
這樣構(gòu)成的燃料電池中，反應(yīng)氣體從隔離板11的供給口13供給時，流過流路12，并且如上所述，在電池單元內(nèi)部經(jīng)固體高分子膜產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。流過流路12的反應(yīng)氣體，由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水加濕，其相對濕度逐漸提高。濕度提高的反應(yīng)氣體通過流路12的延長部12a，導(dǎo)入溫度調(diào)節(jié)裝置15。
溫度調(diào)節(jié)裝置15中，由于向冷卻水流路16流入冷卻水，因此反應(yīng)氣體被冷卻。反應(yīng)氣體如上所述使固體高分子膜濕潤而被加濕，反應(yīng)氣體中包含水蒸氣。該反應(yīng)氣體中的水蒸氣由溫度調(diào)節(jié)裝置15冷卻而成為凝結(jié)水，經(jīng)上述去水通路17，收納在排水部18中。
氧化劑氣體流過的過隔離板11中，空氣極側(cè)隨著電化學(xué)反應(yīng)而生成水，或隨著燃料極側(cè)的質(zhì)子移動而運送水分，因此流路12內(nèi)的水蒸氣為過飽和狀態(tài)。因此，氧化劑氣體中包含的水蒸氣由溫度調(diào)節(jié)裝置15冷卻，生成很多凝結(jié)水。該凝結(jié)水如上所述經(jīng)去水通路17，收納在排水部18中。
容納在排水部18中的凝結(jié)水再次用作溫度調(diào)節(jié)裝置15的冷卻水，沒有污染問題，可用作燃料電池的加濕水。
這樣，反應(yīng)氣體由溫度調(diào)節(jié)裝置15冷卻，隨著該冷卻，反應(yīng)氣體中的水蒸氣作為凝結(jié)水被去除后，再次返回電極面內(nèi)的流路12。因此，不像原來那樣在流路12的下游側(cè)附著水分阻礙反應(yīng)氣體的流動，因此不會引起電池性能的降低。另外，電極面中未反應(yīng)而結(jié)束的氣體被排出到隔離板11的排出口14中。
(實施例8)圖9表示本發(fā)明的第八實施例，具有在2個場所設(shè)置溫度調(diào)節(jié)裝置的特征。即，隔離板111的流路112上形成第一延長部112a和第二延長部112b，第一延長部112a經(jīng)由設(shè)置在隔離板111的側(cè)部的第一溫度調(diào)節(jié)裝置115a內(nèi)，第二延長部112b經(jīng)由第二溫度調(diào)節(jié)裝置115b。
第一溫度調(diào)節(jié)裝置115a是冷卻裝置，接近第一延長部112a設(shè)置有多個冷卻水流路116a，設(shè)置連通第一延長部112a的去水通路117a，該去水通路117a連接排水部118。第二溫度調(diào)節(jié)裝置115b也同樣為冷卻裝置，接近第二延長部112b設(shè)置多個冷卻水流路116b，并且設(shè)置連通第二延長部112b的去水通路117b，該去水通路117b連接上述排水部118。排水部118的底部上安裝排水管118a，設(shè)置開關(guān)閥118b。
這樣構(gòu)成的燃料電池中，從隔離板111的供給口113供給的反應(yīng)氣體流經(jīng)流路112的同時，經(jīng)第一延長部112a導(dǎo)入第一溫度調(diào)節(jié)裝置115a內(nèi)，在這里冷卻后返回電極面內(nèi)的流路112。第一溫度調(diào)節(jié)裝置115a中，反應(yīng)氣體中一部分水蒸氣凝結(jié)，該凝結(jié)水經(jīng)去水通路117a容納在排水部118中。
返回電極面內(nèi)的反應(yīng)氣體接著經(jīng)第二延長部112b導(dǎo)入第二溫度調(diào)節(jié)裝置115b內(nèi)，在這里冷卻后返回電極面內(nèi)的流路112。該第二溫度調(diào)節(jié)裝置115b中，反應(yīng)氣體中的水蒸氣凝結(jié)，該凝結(jié)水經(jīng)去水通路117b容納在排水部118中。
此時，反應(yīng)氣體經(jīng)2次冷卻，因此流路112下游側(cè)的凝結(jié)水的附著與第七實施例相比完全防止了，反應(yīng)氣體的流通良好，電流分布也非常小，因此電池性能提高。未反應(yīng)就結(jié)束的氣體排出到隔離板111的排出口114中。
(實施例9)圖10表示本發(fā)明的第九實施例，與第八實施例相似，但特征是設(shè)置將第一溫度調(diào)節(jié)裝置115a和第二溫度調(diào)節(jié)裝置115b匯總在1個場所上的溫度調(diào)節(jié)裝置115。為容易理解，與第八實施例相同的部件用相同符號表示。
(實施例10)圖11表示本發(fā)明的第十實施例，特征是將第九實施例的溫度調(diào)節(jié)裝置115與隔離板121一體化。即，第一溫度調(diào)節(jié)裝置115a和第二溫度調(diào)節(jié)裝置115b構(gòu)成的溫度調(diào)節(jié)裝置115放置在隔離板112的電極面121a的外側(cè)。另外形成溫度調(diào)節(jié)裝置115就不需要附著在隔離板112上。
在本發(fā)明的第七到第十實施例中，溫度調(diào)節(jié)裝置上設(shè)置測定反應(yīng)氣體的溫度的測溫部，并且設(shè)置調(diào)整冷卻水流量的流量調(diào)整部，由控制裝置將冷卻水流量自動調(diào)整到任意的溫度設(shè)定值。冷卻媒質(zhì)不限于水，可使用其他液體或空氣等的氣體。溫度調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在燃料極側(cè)、空氣極側(cè)的至少之一的氣體流路中。
接著說明使用濕度調(diào)整裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體中的水蒸氣，防止在氣體流路下游側(cè)容易產(chǎn)生的注水的實施例。
(實施例11)圖12表示本發(fā)明的第十一實施例，131是隔離板，按蛇形形成彼此相鄰的多個流路132，流路132的一端設(shè)置供給口133，在另一端設(shè)置排出口134，而且流路132的路徑中設(shè)置濕度調(diào)節(jié)裝置135。
濕度調(diào)節(jié)裝置135是除濕裝置，由成為流路132的外壁的保水部136、與該保水部136相接的與流路132分別設(shè)置的除濕用流路137構(gòu)成。此時，保水部136構(gòu)成位于流路132的路徑的大致中間部的外壁。通過該保水部136隔開流路132和除濕用流路137。
保水部136使用例如聚丙烯酸系吸水樹脂、吸水薄層等吸水性高分子、利用毛細現(xiàn)象在物質(zhì)內(nèi)部吸收水分的材料等，疊積地很厚，不透過反應(yīng)氣體。除濕用流路137通過干燥了的除濕用氣體，將該除濕用氣體與保水部136直接接觸。
濕度調(diào)節(jié)裝置135，在圖12中設(shè)置在流路132的路徑的大致中間部，但由于容易在流路132的下游側(cè)引起注水，因此，最好設(shè)置在后半部。雖然圖中省略了，但濕度調(diào)節(jié)裝置135與上述溫度調(diào)節(jié)裝置同樣可在流路132的路徑中在多個場所設(shè)置。
這樣構(gòu)成的燃料電池中，從隔離板131的供給口133供給反應(yīng)氣體時，經(jīng)電池單元的固體高分子膜生成電化學(xué)反應(yīng)，發(fā)電并生成水。
隨著反應(yīng)氣體流過流路132，其相對濕度增高。相對濕度變高的反應(yīng)氣體由濕度調(diào)節(jié)裝置135的保水部136吸收氣體中包含的水分。因此，反應(yīng)氣體由濕度調(diào)節(jié)裝置135降低相對濕度。從而，在流路132的下游側(cè)水分凝結(jié)，不附著在流路132造成閉塞。
保水部136吸收反應(yīng)氣體中的水分，含水率漸漸增大。含水率提高時，吸水率降低，因此通過向上述除濕用流路137流入干燥的除濕用氣體可干燥保水部136，降低含水率。
作為向除濕用流路137供給的除濕用氣體，通常使用干燥的反應(yīng)氣體和氮氣等惰性氣體，但使用反應(yīng)氣體的情況下，可使用相對電池溫度在飽和露點以下的供給燃料電池之前的反應(yīng)氣體。
如圖13模式表示的那樣，作為除濕用氣體，使用未加濕的反應(yīng)氣體，將其提供給除濕用流路137，與保水部136接觸來干燥。吸收水分后的反應(yīng)氣體全部或部分通過流量調(diào)整器138來調(diào)整流量。此時，從貯存部(圖中省略)供給規(guī)定量的新的反應(yīng)氣體。流量調(diào)整了的反應(yīng)氣體由加濕器139適當(dāng)加濕后，供給燃料電池140的端部設(shè)置的氣體供給口140a供給氣體供給口140a的加濕反應(yīng)氣體，通過在燃料電池140的電池單元層疊方向上連通的供給口133，流入各電池單元的隔離板131的流路132中。流入流路132中的加濕反應(yīng)氣體，在電池單元的電極面內(nèi)引起電化學(xué)反應(yīng)，未反應(yīng)就結(jié)束的氣體排出到排出口134中。流經(jīng)流路132的加濕反應(yīng)氣體經(jīng)由上述濕度調(diào)節(jié)裝置135是由保水部136加濕。
排出到隔離板131的排出口134的未反應(yīng)氣體，通過在電池單元層疊方向上連通的排出口134，從設(shè)置在燃料電池140的端部的氣體排出口140b排出到外部。
如上所述，加濕反應(yīng)氣體從燃料電池140的氣體供給口140a供給，但隨著進入流路132，其相對濕度提高。因此，通過使干燥氣體流入除濕用流路137，經(jīng)保水部136將水分移動到干燥氣體側(cè)，可降低反應(yīng)氣體的濕度。由此，防止流路132下游側(cè)容易產(chǎn)生的注水，在良好狀態(tài)下發(fā)電。氣體流路分割為多個的情況下，通過保水部136暫時將流路合流等的方式經(jīng)由全部的濕度調(diào)節(jié)裝置135。
濕度調(diào)節(jié)裝置135不需要是1個場所，可在多個場所設(shè)置進行多級除濕。為不改變?nèi)剂想姵貎?nèi)部的溫度分布，在將除濕用氣體供給除濕用流路137之前，預(yù)先加熱到電池溫度附近。而且，從燃料電池140的端部供給除濕用氣體的情況下，僅一端這樣加濕，下游側(cè)的隔離板131使除濕用氣體的濕度提高，除濕效果降低。因此，為使任一隔離板上都傳送來大致均勻的除濕用氣體，有效的是在燃料電池的兩端和中央等設(shè)置多個除濕用氣體的供給口。
(實施例12)圖14表示本發(fā)明的第十二實施例，特征是設(shè)置多個除濕用流路。此時，分上下兩段設(shè)置第一除濕用流路137a和第二除濕用流路137b，第一除濕用流路137a和第二除濕用流路137b與除濕用氣體的流向相反。
根據(jù)這樣構(gòu)成的燃料電池，可從燃料電池兩端按相反方向供給除濕用氣體并進行均勻除濕。另外和第十一實施例相同的部件用相同符號表示。
如上說明那樣，本發(fā)明構(gòu)成為在燃料氣體的反應(yīng)氣體流路中，通過在從隔離板的供給口到排出口的流路的中途在電極面外設(shè)置的溫度調(diào)節(jié)裝置，再返回電極面內(nèi)的流路，因此反應(yīng)氣體由溫度調(diào)節(jié)裝置冷卻，防止電極面內(nèi)的注水，由此可提高燃料電池的發(fā)電性能。
通過在流路下游側(cè)設(shè)置溫度調(diào)節(jié)裝置或在多個場所設(shè)置溫度調(diào)節(jié)裝置，可更進一步有效防止電極面內(nèi)的注水。
而且，本發(fā)明在燃料電池的反應(yīng)氣體流路中，通過在從隔離板的供給口到排出口的流路中途設(shè)置濕度調(diào)節(jié)裝置，反應(yīng)氣體由濕度調(diào)節(jié)裝置除濕，防止電極的注水，由此提高燃料電池的發(fā)電性能。此時，在流路下游側(cè)設(shè)置濕度調(diào)節(jié)裝置，或在多個場所設(shè)置濕度調(diào)節(jié)裝置，也能提高注水的防止效果。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，在燃料極乃至空氣極上分別對峙在表面上形成燃料氣體乃至氧化劑氣體的流路的隔離板，使多個在燃料極和空氣極之間配置膜狀電解質(zhì)的電池相層疊而構(gòu)成，其特征在于從上述氧化劑氣體的流路或燃料氣體的流路的中間向下游側(cè)設(shè)置排液裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于所述排液裝置具有氣密的封水部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于所述排液裝置連接燃料電池的冷卻水路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3之一所述的燃料電池，其特征在于從上述氧化劑氣體的流路或燃料氣體的流路的中間向下游側(cè)設(shè)置連通多個流路的連結(jié)部，該連結(jié)部連接至上述排液裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4之一所述的燃料電池，其特征在于所述連結(jié)部設(shè)置在膜狀電解質(zhì)由燃料極和空氣極夾持的燃料電池反應(yīng)的區(qū)域外。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5之一所述的燃料電池，其特征在于所述連結(jié)部架伸設(shè)置在燃料氣體、氧化劑氣體、冷卻水之一的供給支管區(qū)域中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6之一所述的燃料電池，其特征在于流通過上述連結(jié)部的氧化劑氣體或燃料氣體，和供給燃料電池反應(yīng)之前的氧化劑氣體、燃料氣體、冷卻水中的任何一個之間進行熱交換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于所述排液裝置是氧化劑氣體或燃料氣體的流路之外的、連通這些氣體的排出支管和上述連結(jié)部的路徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其特征在于在連通上述氣體的排出支管和上述連結(jié)部的路徑中，鋪設(shè)纖維材料。
10.一種燃料電池，供給燃料和氧化劑來發(fā)電，其特征在于在燃料極側(cè)或空氣極側(cè)至少之一的流路的從供給口到排出口的路徑中，至少在一個場所設(shè)置用于調(diào)節(jié)燃料或氧化劑的溫度的溫度調(diào)節(jié)裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，其特征在于所述流路的路徑多次經(jīng)過1個溫度調(diào)節(jié)裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的燃料電池，其特征在于所述溫度調(diào)節(jié)裝置設(shè)置在電極面的外部。
13.根據(jù)權(quán)利要求10～12之一所述的燃料電池，其特征在于所述溫度調(diào)節(jié)裝置是冷卻裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料電池，其特征在于所述冷卻裝置設(shè)置在上述流路的后半部。
15.根據(jù)權(quán)利要求10～14之一所述的燃料電池，其特征在于經(jīng)由上述冷卻裝置的上述燃料或氧化劑為氣狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池，其特征在于所述冷卻裝置具有從流路中去除冷卻氣體時產(chǎn)生的凝結(jié)水的排水部。
17.根據(jù)權(quán)利要求13～16之一所述的燃料電池，其特征在于所述冷卻裝置水冷或空冷上述流路。
18.一種燃料電池，供給燃料和氧化劑來發(fā)電，其特征在于在燃料極側(cè)或空氣極側(cè)至少之一的流路的從供給口到排出口的路徑中，至少在一個場所設(shè)置用于調(diào)節(jié)燃料或氧化劑的濕度的濕度調(diào)節(jié)裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的燃料電池，其特征在于所述濕度調(diào)節(jié)裝置是除濕裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的燃料電池，其特征在于所述除濕裝置在流路的路徑外壁的至少一部分中包括保水部，從與該保水部相接地且與上述流路另外設(shè)置的除濕用流路供給除濕用氣體，以進行除濕。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的燃料電池，其特征在于所述流路的路徑至少經(jīng)過除濕裝置一次。
22.根據(jù)權(quán)利要求19～21之一所述的燃料電池，其特征在于所述除濕裝置設(shè)置在流路的后半部。
23.根據(jù)權(quán)利要求19～22之一所述的燃料電池，其特征在于所述除濕用氣體是水蒸汽未飽和的燃料或氧化劑中的至少一個，供給除濕后，其一部分或全部新添加燃料/氧化劑氣體來提供給燃料電池。
24.根據(jù)權(quán)利要求19～23之一所述的燃料電池，其特征在于所述除濕用的氣體從燃料電池堆的多個場所提供。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體高分子型燃料電池，通過結(jié)構(gòu)簡單容易加工的結(jié)構(gòu)，去除凝結(jié)水，防止因電極過度加濕導(dǎo)致的注水。在燃料極乃至空氣極上，分別對峙在表面上形成燃料氣體乃至氧化劑氣體的流路的隔離板(seperateor)，在使多個在燃料極和空氣極之間配置膜狀電解質(zhì)的電池層疊而構(gòu)成的燃料電池中，從氧化劑氣體的流路或燃料氣體的流路的中間向下游側(cè)設(shè)置排液裝置。燃料極側(cè)或空氣極側(cè)至少之一的流路的從供給口到排出口的路徑中，至少在一個場所設(shè)置用于調(diào)節(jié)燃料或氧化劑的溫度的溫度調(diào)節(jié)裝置。
文檔編號H01M8/10GK1407645SQ0214703
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月30日
發(fā)明者安尾耕司, 濱田陽, 井崎博和, 鈴木修一, 中藤邦弘, 三宅泰夫 申請人:三洋電機株式會社